Kvanttibitt

Kvanttibitt (engl. qubit) on kvanttien tieto- ja laskentayksikkö. Se on kaksitasoinen järjestelmä, jonka tilan voi esittää muodossa |ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩, missä α ja β ovat kompleksilukuja ja |α|^2 + |β|^2 = 1. Mittauksessa perusbasisissa tilat |0⟩ ja |1⟩ havaitaan todennäköisyyksillä |α|^2 ja |β|^2. Kvanttibitin vahvuus on superpositio: se voi olla samanaikaisesti useammassa tilassa ja muodostaa monimutkaisia tilakokonaisuuksia tilan koordinaatistossa.

Kvanttibitin tilaa voidaan muuttaa vuorovaikutuksilla, joita kutsutaan kvanttihypyiksi tai porteiksi. Yhden bin tilan gateissa käytetään esimerkiksi X-, Y- ja Z-porteja sekä Hadamard-porteja (H). Kaksibitillisiin tiloihin voidaan luoda kontrolloitujen porttien kautta kytkentöjä, kuten CNOT. Yhdessä nämä portit muodostavat universaalin setin, jonka avulla voidaan toteuttaa minkä tahansa lineaarisesti yksikköisen operaation.

Tilaa kuvaa usein Blochin pallon geometria yhdelle kvanttibittille: puhdas tila vastaa pistettä pallon pinnalla. Useamman kvanttibitin tapauksessa tilaa ei voi enää kuvailla erillisesti, vaan ne voivat olla toisistaan eroavalla tavalla kytkettyjä eli olla entangled-tilassa. Entanglement on keskeinen ilmiö kvanttien välisessä korreloituneessa toiminnassa ja mahdollistaa monia kvanttilaskennan protokollia.

Fyysiset toteutukset vaihtelevat. Esimerkkejä ovat suprakondensaatiokielet (transmonit), vangitut ionit, fotonit ja kvanttitieet tai -kantaat. Jokaisella lähestymistavalla on omat koherenssiaikansa (T1, T2), mittausominaisuutensa ja skaalautuvuushaasteet. Kvanttivirheidenkäsittely ja loogisten kvanttibittien rakentaminen ovat keskeisiä tutkimusalueita; yleisiä koodausmenetelmiä ovat virheenkorjauskoodit, kuten surface code.

Kvanttibittien käyttö mahdollistaa kvanttialgoritmit kuten Shorin salauksen sekä Groverin hakualgoritmin, kvanttisimulaatiot ja kvanttiviestinnän kehittämisen. Teknologia on tällä hetkellä kehittyvä ala, jossa koherenssiaikojen parantaminen ja virheenkorjaus ovat keskeisiä kehityskohteita.